Archiv der Kategorie: Wissenschaft

In der Wissenschaft wird fleißig gearbeitet und geforscht, jedoch braucht es ab und an auch einen klugen Gedanken. Denn wenn alle Berechnungen versagen ist dies nicht Zufall, sondern Unwissen.

Bernd Sternal

Stickstoff – Pflanzen könnten sich selbst versorgen

Das chemische Element Stickstoff trägt die Ordnungszahl 7 im Periodensystem der Elemente, ist ein farbloses Gas und ist mit einem Prozentsatz von 78 in unserer Atemluft enthalten.
Die deutsche Bezeichnung Stickstoff ist darauf zurückzuführen, das molekularer, gasförmiger Stickstoff Sauerstoff verdrängt, wodurch Feuer erstickt wird, und dass zudem Lebewesen in dem reinen Gas ersticken, weil Sauerstoff fehlt.
Im Laufe der Evolution hat sich ein Stickstoffkreislauf der Ökosysteme ausgebildet: Als Bestandteil von Proteinen und vielen anderen Naturstoffen ist Stickstoff essentiell für Lebewesen, die ihn in einem energieintensiven Prozess (Stickstofffixierung) organisch binden und bioverfügbar machen. Dies geschieht zum Beispiel enzymatisch an einem Eisen-Schwefel-Cluster, welcher ein Kofaktor des Enzyms Nitrogenase ist.
Blog-Marketing bringt neue Kunden und mehr Umsatz
Stickstoff und seine Verbindungen, insbesondere Ammoniak und Ammoniumnitrat, sind somit auch für den Pflanzenwachstum elementar. In gebundener Form kommt Stickstoff in unseren Böden vor und bei geschlossen Ökosystemen wie Urwäldern funktioniert dessen Kreislauf problemlos. Wenn Pflanzen sterben, bilden sich aus ihren Resten neue Stickstoffverbindungen im Boden.
Nicht so auf unseren Kulturböden, wo die Masse der Pflanzenbestandteile abgeerntet wird. Der Kreislauf wird dadurch unterbrochen und führt zu einem Stickstoffmangel in den Feldern. Die Landwirte wirken dem entgegen, indem sie Stickstoff-Dünger auf die Böden geben. Jedoch ist eine genaue Dosierung, die dem natürlichen Kreislauf entsprechen würde, sehr schwer. So kommt es, dass laut Umweltbundesamt jährlich 97 kg überschüssiges Stickstoff-Nitrat pro Hektar auf deutsche Felder aufgebracht wird. Eine Menge, die in unser Grundwasser und in unsere Flüsse und Seen gelangt, diese überdüngt und damit stark schädigt. Die ökologischen Kreisläufe kommen aus dem Gleichgewicht und ein Ende ist nicht abzusehen. Zumal sich das Problem nicht auf Deutschland beschränkt, sondern weltweit zu erheblichen Umweltproblemen – auch in den Meeren und Ozeanen sowie beim Trinkwasser – führt.
Wenn also in Zukunft bei stark wachsender Weltbevölkerung die Ernährung aller Menschen gesichert sein soll und wir unsere Gewässer sowie das Grundwasser nicht weiter schädigen wollen, so müssen neue Lösungen gefunden werden.
Dazu forschen Biologen, Chemiker und Ingenieure aus aller Welt. Bekannt sind seit über hundert Jahren Bakterien, die in Symbiose mit Pflanzen leben und sogenannte Stickstoff-Fixierer sind. Zu ihnen gehören „Frankia alni“ sowie „Rhizobien“. Frankia alni lebt bei uns zum Beispiel in Symbiose mit der Schwarzerle und Rhizobien mit Hülsenfrüchten. Diese Bakterien besitzen die Fähigkeit, elementaren, molekularen Stickstoff (N2) zu binden, indem sie ihn zu Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium (NH4+) reduzieren und damit biologisch verfügbar machen.
Die Forscher nehmen sich besonders die Hülsenfrüchte – auch Leguminosen genannt – zum Vorbild. Lange Zeit wurde vermutet, dass im Zusammenwirken mit den Bakterien besondere Pflanzen-Gene für die Stickstoff-Fixierung erforderlich sind. Dann erkannte man jedoch, dass dies nicht der Fall ist: Die meisten anderen Nutzpflanzen verfügen über die Grundlagen zu diesem Prozess, nutzen ihn nur nicht.
Die Wissenschaft ist nun in einem Wettlauf diesen Stickstoff-Speicherprozess auch in Pflanzen zu aktivieren, die botanisch nicht zu den Hülsenfrüchten gehören. Insbesondere wird hierbei das Augenmerk auf Getreidearten und Reis gelegt, aber auch sogenannte Zwischenfrüchte sind dabei von Interesse, die dann untergepflügt werden, um den Stickstoffgehalt im Boden zu erhöhen.

Nitrogen Cycle Author: Johann Dréo (User:Nojhan) Date: march, 30, 2006
Nitrogen Cycle Author: Johann Dréo (User:Nojhan) Date: march, 30, 2006 (Wikipedia)

In der Forschung greift man dabei auf zwei verschiedene Methoden zurück: die klassische Pflanzenzüchtung und auch die Gentechnik.
Andere Forschergruppen gehen wieder andere Wege, so das Bostoner Unternehmen Ginkgo Bioworks zusammen mit der deutschen Bayer AG. Dort wird versucht die stickstoffspeichernden Knöllchenbakterien zur Zusammenarbeit mit anderen Nutzpflanzen als den Hülsenfrüchten zu bewegen. So soll der benötigte Stickstoff im Boden direkt von den Pflanzen selbst produziert werden.
Derzeit ist das von den beiden Firmen gegründete Unternehmen Joyn Bio mit Sitz in Boston und Sacramento, das auf das gesamte Knowhow der Bayer AG zurückgreifen kann, dabei, entsprechende Bakterien auf ihre Einsatzfähigkeit hin zu testen und die Mikroben gentechnisch zu behandeln.
Doch schon regt sich zu diesem Projekt Widerspruch: Es bestehen Bedenken, dass gentechnisch modifizierte Bakterien, die in der Umwelt verbreitet werden, nicht mehr kontrollierbar sein könnten.
Dennoch könnten Bakterien eine Möglichkeit darstellen, umweltfreundlicher als bisher Düngemittel herzustellen. Um den derzeitigen Stickstoffdünger zu produzieren, wird viel Energie und eine gewaltige Mange fossiler Rohstoffe benötigt: 0,6 kg Erdgas zur Herstellung von 1 kg Stickstoffdünger.
Erfolgversprechend für dieses Projekt erscheint insbesondere das stickstofffixierende Bakterium Xanthobacter autotrophicus. Harvard-Forschern gelang mit ihm die Herstellung von Stickstoff und Phosphor. Für die Synthese nutzen die Forscher künstliche Blätter, die aus Sonnenlicht Wasserstoff produzierte. Das Bakterium konsumierte den Wasserstoff und nutzte zudem den in der Luft enthaltenen Stickstoff.




Auf diese Art könnte durch natürliche Synthese Düngemittel hergestellt werden. Die gelbe, bakteriensatte Flüssigkeit, die dabei entstand, wurde bereits an Nutzpflanzen getestet. In diesem Wachstumsexperiment mit Radieschen bildeten die so gedüngten Pflanzen doppelt so große Knollen wie die ungedüngten.
Sollte diese Natursynthese großtechnisch anwendbar werden, so ist das zwar keine Lösung für die Überdüngung unserer Böden, jedoch würden damit große Mengen an Energie und fossiler Rohstoffe eingespart. Zudem sieht man darin einen Lösungsansatz für die Landwirtschaft in den Entwicklungsländern.

Drohnen im Einsatz: moderne Technologie rettet Leben

Mit fortschreitenden medizinischen Kenntnissen fällt es Ärzten, Sanitätern und anderem medizinischen Personal leichter,Leben zu retten, als es noch vor einigen Jahren der Fall war. Auch wenn längst nicht alle Krankheiten geheilt und Verletzungen kuriert werden können, lässt der stetige Fortschritt hoffen, dass in der Zukunft noch viel mehr möglich sein wird als heute. Das gilt aber nicht nur für die Kenntnisse und Heilungsmethoden, sondern auch für die Technologie, die zum Einsatz kommt.

Drohnen erfreuen sich in zahlreichen Bereichen großer Beliebtheit. Die fliegenden Objekte lassen sich zu unterschiedlichen Zwecken einsetzen, und das nicht nur zur eigenen Belustigung,sondern auch in sehr ernsten Angelegenheiten. So gestaltet sich beispielsweise die Überwachung mithilfe der einfach zu steuernden Objekte besonders einfach und komfortabel. Drohnen können aber auch in der Lage sein, Menschenleben zuretten – so geschehen zum Beispiel in Australien, wo zwei junge Männer beim Schwimmen von einer starken Strömung überrascht wurden und in Seenot gerieten. Eine erst kürzlich erworbene Drohne wurde daraufhin von den Rettungsschwimmern losgeschickt, um die Verunglückten zu finden und zu retten. Das Pilotprojekt,das erst wenige Tage zuvor gestartet war, war ein Erfolg auf ganzer Linie.

Für die lebensrettende Drohne war es kein Problem, den Seekilometer binnen nur einer Minute zurückzulegen. Rettungsschwimmer hätten bei ruhiger See dafür die sechsfache Zeit benötigt – bei der vorherrschenden Strömung war an ein Heranschwimmen aber gar nicht zu denken! Als die Drohne die jungen Männer erreicht hatte, warf sie eine Schwimmhilfe ab, an der sie sich fest- und über Wasser halten konnten. Die Rettung der in Seenot geratenen Jugendlichen gelang so problemlos. Aufgrund des erfolgreichen Einsatzes werden Drohnen in Zukunft häufiger im Bereich Seerettung eingesetzt werden. Und das ist noch nicht alles; auch in der Bergrettung erweisen sich die Flugobjekte als überaus sinnvoll. Hier können aufgrund der geringen Größe und hohen Wendigkeit der Drohnen Regionen erreicht werden, in die Menschen nicht vordringen können.Im Vergleich zu Helikoptern haben sie daher einen entscheidenden Vorteil.Darüber hinaus lassen sie sich auch bei schlechter Sicht oder bei Nacht einsetzen.

Auch im Alltag gibt es für Drohnen zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten in der Menschenrettung. Verirrt sich etwa ein Alzheimer-Patient, kann dieser mithilfe der vielseitigen Flugobjekte gezielt gesucht und gefunden werden – und das effektiver und mit deutlich weniger Aufwand als mit einem Suchtrupp. Denkbar ist auch der Einsatz bei einem Hauseinsturz mit Verschütteten. Feststeht, dass Drohnen in Zukunft immer häufiger und vielseitiger im Rettungsbereich als vielseitiger Helfer Verwendung finden werden.

Autoreifen aus russischer Pusteblume

Ein moderner Autoreifen besteht heute aus vielen verschiedenen Materialien, entscheidender Hauptbestandteil ist jedoch seit Anbeginn der Reifenherstellung Naturkautschuk.
Der Naturkautschuk wird heute sowohl in Südostasien wie in Mittel- und Südamerika hauptsächlich aus dem ursprünglich nur im Amazonasbecken vorkommenden Kautschukbaum (Hevea brasiliensis) gewonnen.
Damit ist eine enorme Importabhängigkeit verbunden, die bereits im Zweiten Weltkrieg zu Problemen führte. Bereits seit den 1930 Jahren gab es daher in der Sowjetunion, und später in Hitler-Deutschland, Versuche und Bestrebungen diesen Kautschuk aus einheimischen Pflanzen zu gewinnen. Im Fokus stand dabei die Pusteblume – gewöhnlicher Löwenzahn -, jedoch mangelte es damals an genügend geeigneten Pflanzen sowie an der Extraktionstechnik.

Jetzt hat der Reifenhersteller Continental einen neuen Anlauf genommen und dazu Spezialisten mit ins Boot genommen: die Westfälische Wilhelms-Universität Münster, das Frauenhofer-Institut für Molekularbiologie sowie das Julius-Kühn-Institut Quedlinburg (Bundesforschungs-Institut für Kulturpflanzen).
Was aber ist Naturkautschuk eigentlich, der für Reifen bis heute unersetzlich ist?
Es ist eine kolloide Dispersion in einer wässrigen Lösung (Serum). Hauptbestandteil des Kolloids ist ein Polymer aus Isopren-Einheiten, das cis-1,4-Polyisopren; andere Stoffe sind Proteine und Harze, die die Kolloide stabilisieren. Viele andere Pflanzenarten liefern ebenfalls cis-1,4-Polyisopren von unterschiedlicher Qualität, werden jedoch wenig oder nicht genutzt. Es fehlt bei diesen potentiellen Lieferanten einfach die Menge an Pflanzen und/oder die entsprechenden Gewinnungstechnologien.
Nach jahrelanger Arbeit gibt es nun eine erste Alternative: Der Russische Löwenzahn (Taraxacum kok-saghyz) ist eine Pflanzenart aus der Gattung Löwenzahn (Taraxacum) in der Familie der Korbblütler (Asteraceae). Sie ist ursprünglich in Kasachstan und im westlichen Xinjiang beheimatet. Der Kautschuk ist beim Löwenzahn – der Pusteblume – in der Wurzel enthalten – wir alle kennen diesen weißen klebrigen Saft. Der russische Löwenzahn ist gegenüber dem einheimischen kleiner und hat einen viel hören Kautschukgehalt. Seine Wurzel besteht zu 15 Prozent aus Kautschuk.
Der Leiter dies Forschungsteam, Professor Dirk Prüfer, von der Universität Münster berichtet, das schon bei den ersten Experimenten klar war, dass der Kautschuk des Löwenzahns genau so gut ist, wie der vom Kautschukbaum. Inzwischen ist der Löwenzahn vom Quedlinburger Züchterinstitut so optimiert worden, dass der Kautschuk-Gehalt stabil ist.




Bei der Standortwahl für das Versuchslabor kam der Zufall zu Hilfe. Professor Prüfer stellte diese Idee 2013 auf Biotechnologie-Tagen in Anklam vor und stieß in der Stadt auf großes Interesse. Es gab ausreichend geeignete Böden in der Umgebung und auch Landwirte, die bereit waren dieses „Unkraut“ auch anzubauen. Zudem kannte man sich aus, mit der Verarbeitung von Wurzeln, denn in Anklam produziert die einzige Zuckerfabrik in Mecklenburg-Vorpommern.
Technologien wurden entwickelt, Extraktionsverfahren, der russische Löwenzahn wurde züchterisch behandelt und versuchsweise angebaut. 2017 bauten Landwirte von vier Unternehmen rund um das nahe gelegene Ducherow erstmals im landwirtschaftlichen Kontext Löwenzahn auf etwa 30 Hektar an. Vor kurzem wurde nun die Ernte eingefahren. Das Blattgrün blieb dabei auf dem Acker, die Wurzeln wurden nach Anklam gebracht. Über eine Auswilderung dieses Löwenzahns muss man sich nach Aussagen von Prof. Prüfer nicht sorgen, dies sei züchterisch gelöst worden. Jedoch bestehe das Ziel größere Wurzeln zu bekommen und einen Ertrag von einer Tonne Kautschuk pro Hektar Anbaufläche zu erzielen; das würde dem Ertrag von Kautschuk-Plantagen entsprechen.
Jetzt wurde in Anklam von Continental ein Forschungs- und Versuchslabor eröffnet. Dort werden die Löwenzahn-Wurzeln in Mahlwerken mir Wasser zerquetscht, wobei der Kautschuk herausgewaschen wird. Dazu seien keine giftigen Lösungsmittel notwendig, wie versichert wird. Die Rückstände sollen dann zukünftig in Biogasanlagen verarbeitet werden.
Eine tolle Idee, die sich hoffentlich wirtschaftlich umsetzen lässt: Es wäre unserer Landwirtschaft zu wünschen und auch ökologisch wäre es ein Schritt nach vorn.